本實用新型涉及的是水下測繪、水聲測量領(lǐng)域，更確切地說，涉及一種水中聲速測量裝置，廣泛應用于海洋調(diào)查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等多個領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水中聲速作為所有聲納設備的一個重要參數(shù)在海洋調(diào)查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等諸軍事、民用領(lǐng)域得到廣泛應用。隨著各種聲納設備的升級，對聲速測量的精度也提出了越來越高的要求，因此高精度的水中聲速測量裝置也在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)提升方面起著至關(guān)重要的作用。

作為基礎(chǔ)物理參數(shù)之一的水中聲速，其范圍一般在1400米/秒至1600米/秒之間，主要與水中的溫度、鹽度和水壓力三個基礎(chǔ)物理參數(shù)相關(guān)，因此一種通過測量水中的溫度、鹽度和水壓力三個物理參數(shù)，再通過關(guān)系式反算水中聲速的方法被提出，并得到了較長時間的應用，這種測量方法被稱為間接測量法。但是，由于到目前為止，科學界尚未找到聲速與另外三個物理量之間確切的解析表達關(guān)系，因此間接測量法所使用的聲速與溫度、鹽度、水壓力的關(guān)系式均為試驗統(tǒng)計得到經(jīng)驗公式，相對精度較低。

另外一種基于解析表達式，聲速V=D/T的聲速測量方式叫直接測量法。直接法聲速測量是以測量某一固定距離D之間聲波傳播所需要的時間T為基礎(chǔ)的。當聲速的測量精度確定后,已知距離越大,對測時精度要求越低,所以通常是測量聲波在已知距離內(nèi)往返多次的時間，即用接收到的反射回波信號去觸發(fā)發(fā)射電路,再發(fā)射下一個脈沖,這樣不斷地循環(huán)下去,以降低對測時精度的要求,這種方法被稱為“環(huán)鳴法”。

傳統(tǒng)的直接測量法聲速儀都是基于“環(huán)鳴法”進行聲速測量?！碍h(huán)鳴法”聲速測量精度一般最高只能達到±0.2米/秒，已無法滿足對高精度聲速測量的需求，同時“環(huán)鳴法”由于需要多次循環(huán)，因此其測量速率相對較低，難以滿足聲速快速變化場合的測量應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本實用新型公開了一種水中聲速測量裝置，該裝置由機械結(jié)構(gòu)和電子單元部分組成，其中機械結(jié)構(gòu)部分由依次相連的超聲反射板（101）、反射板支撐桿（102）、傳感器安裝板（104）、電子艙外殼（105）、連接器安裝板（108）、水密連接器（109）以及安裝于傳感器安裝板（104）上的超聲換能器（103）和艙外溫度傳感器（107）組成；電子單元部分由依次相連的水密連接器（109）、電源系統(tǒng)（206）、通信接口電路（201）、微處理器（202）、高精度測時單元（203）、超聲收發(fā)單元（204）、超聲換能器（103）以及與微處理器（202）依次相連的溫度測量單元（205）、艙內(nèi)溫度傳感器（207）、艙外溫度傳感器（107）組成。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其反射板支撐桿（102）兩端分別由緊固螺釘（106）固定在超聲反射板（101）和傳感器安裝板（104）之間，并確保超聲反射板（101）與傳感器安裝板（104）保持平行且相對距離為固定值。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其電源系統(tǒng)（206）由依次相連的電源保護電路（301）、低噪聲隔離電源（302）、數(shù)字電路供電電源（303）、模擬電路供電電源（304）和功率放大器電源（305）組成；外部供電電源通過水密連接器（109）與電源保護電路（301）相連為設備供電。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其超聲收發(fā)單元（204）的信號發(fā)射部分由依次相連的功率放大器（306）、發(fā)射匹配電路（307）、變壓器耦合電路（308）和超聲換能器（103）組成，將電信號轉(zhuǎn)換成超聲信號并輻射到水中；接收部分由依次相連的超聲換能器（103）、變壓器耦合電路（308）、接收限幅電路（309）、接收開關(guān)電路（301）組成，將超聲反射板（101）反射的超聲信號轉(zhuǎn)換成電信號。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其高精度測時單元（203）由依次相連的高速門延遲計時電路（401）、高速動態(tài)存儲器（402）、高位計數(shù)器（403）、計時后處理電路（404）。高精度測時單元（203）的測時工作由“STAR”信號觸發(fā)開始，由“STOP”信號觸發(fā)結(jié)束，“STOP”信號觸發(fā)結(jié)束后高速動態(tài)存儲器（402）數(shù)據(jù)作為低位計數(shù)器值，高位計數(shù)器（403）的計數(shù)結(jié)果作為高位計數(shù)器值分別傳入計時后處理電路（404），并最終組合形成計時結(jié)果。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其高精度測時單元（203）中的高速門延遲計時電路（401）特征在于其核心部分是由依次相連的具有固定傳輸延遲的各類延遲門組成的延遲鏈；延遲鏈中的每個延遲門（405）的輸出端都分別與高速動態(tài)存儲器（402）的相連；延遲鏈末端的延遲門（406）與高位計數(shù)器（403）相連，形成計數(shù)進位；延遲鏈末端通過反向延遲門（407）反饋到“START”信號輸入端并通過組合狀態(tài)延遲門（408）與“START”信號組合生成下一輪計時信號。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其溫度測量單元（205）通過艙內(nèi)溫度傳感器（207）和艙外溫度傳感器（107）測量艙內(nèi)電子系統(tǒng)和艙外水體環(huán)境的實時溫度變化，并生成溫度修正參數(shù)，修正由于溫度變化引起的聲速測量誤差。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其聲速測量的基本流程為微處理器（202）控制高精度測時單元（203）產(chǎn)生測時開始信號“START”，同時產(chǎn)生發(fā)射信號，發(fā)射信號依次通過功率放大器（306）、發(fā)射匹配電路（307）、變壓器耦合電路（308）由超聲換能器（103）將超聲信號輻射到水中，聲波在水中傳播過程中遇到超聲反射板（101）形成反射聲信號，反射聲信號依次通過超聲換能器（103）、變壓器耦合電路（308）、接收限幅電路（309）、接收開關(guān)電路（310）形成接收電信號傳入高精度測時單元（203）經(jīng)過處理形成“STOP”信號完成計時工作，微處理器（202）讀取高精度測時單元（203）測時結(jié)果并結(jié)合溫度測量單元（205）測量得到的艙內(nèi)電子系統(tǒng)和艙外水體環(huán)境的實時溫度進行修正，在確知超聲換能器（103）和超聲反射板（101）之間往返距離的情況下，最終計算得到水中的實時聲速，并將測量結(jié)果通過通信接口電路（201）和水密連接器（109）傳送給其他儀器設備。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置，其基本原理采用聲速V=D/T的聲速測量原理，即水中的超聲波在超聲換能器（103）與超聲反射板（101）間的往返傳播時間T由高精度測時單元（203）精確測得，超聲換能器（103）到超聲反射板（101）間往返距離D通過多次多溫度點的測量校準過程進行精確計算擬合，再通過公式計算得到高精度水中聲速V。

本實用新型所公開的一種水中聲速測量裝置其優(yōu)點在于采用基于門延遲測時技術(shù)的高精度測時單元（203）進行超聲往返時間的精確測量，使測時精度達到納秒量級，大大提高測時精度，同時通過多次多溫度點的測量校準過程可以精確計算擬合出超聲換能器（103）到超聲反射板（101）間距離，使聲速測量精度大大提高。利用高精度溫度傳感器同時測量艙內(nèi)外溫度形成的溫度修正系數(shù)，還能夠進一步提高聲速測量精度，使得水中聲速測量的精度達到±0.05米/秒。

由此可見，本實用新型設計新穎、技術(shù)含量高、易于實現(xiàn)且成本較低，非常適合于海洋調(diào)查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等多個領(lǐng)域的應用。

附圖說明

為了使本實用新型的內(nèi)容更利于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員理解，下面對附圖進行簡單說明。

圖1為本實用新型所述的水中聲速測量裝置的機械結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實用新型所述的水中聲速測量裝置的電子單元原理框圖。

圖3為本實用新型所述的水中聲速測量裝置的聲速測量部分電路原理框圖。

圖4為本實用新型所述的水中聲速測量裝置的高精度測時單元原理框圖。

圖5為本實用新型所述的水中聲速測量裝置一種實施例的聲速測量電子部分電路原理圖。

圖6為本實用新型所述的水中聲速測量裝置一種實施例的聲波收發(fā)部分電路原理圖。

圖7為本實用新型所述的水中聲速測量裝置一種實施例的微控制器和通信接口部分電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和本實用新型一種較佳的具體實施例對本實用新型作進一步說明。

作為本實用新型的一種較佳施例，該水中聲速測量裝置，超聲換能器（103）采用聲學頻率為2MHz的活塞型換能器，艙外溫度傳感器（107）采用金屬水密外殼封裝的PT1000鉑電阻傳感器，兩個傳感器安裝于圓形的316L不銹鋼材質(zhì)傳感器安裝板（104）上，并確保超聲換能器（103）的表面與傳感器安裝板（104）的外表面共面。超聲反射板（101）同樣為圓形的316L不銹鋼材質(zhì)，通過三支長度為5厘米的反射板支撐桿（102）與傳感器安裝板（104）連接并確保平行。電子艙外殼（105）為316不銹鋼材質(zhì)圓筒，傳感器安裝板（104）和連接器安裝板（108）安裝于電子艙外殼（105）的兩端，并通過“O”型水密圈進行水密。

作為本實用新型的一種較佳施例，水中聲速測量裝置的電子單元部分均安置于水密電子艙中，超聲換能器（103）輻射面和艙外溫度傳感器（107）在水密電子艙外，通過引線引入水密艙內(nèi)。

作為本實用新型的一種較佳施例，電源系統(tǒng)（206）中電源保護電路（301）完成電源防反接和過流保護功能；低噪聲隔離電源（302）由LT8048隔離型DC-DC變換器和LDO噪聲電源芯片組成；數(shù)字電路供電電源（303）和模擬電路供電電源（304）均選擇超低噪聲LDO TPS71733實現(xiàn)，輸出電壓為直流3.3V，分別為數(shù)字電路和模擬電路供電；功率放大器電源（305）采用LM2733實現(xiàn)的升壓電路，輸出直流30V電壓，為功率放大器供電（306）。

作為本實用新型的一種較佳施例，超聲收發(fā)單元（204）的功率放大器（306）采用UCC27531芯片設計的D類功率放大器，發(fā)射匹配電路（307）采用4.7uH電感并聯(lián)進行發(fā)射匹配并通過變壓器耦合電路（308）與超聲換能器（103）進行隔離；接收部分中接收限幅電路（309）采用二極管限幅電路實現(xiàn)接收信號的幅度限制，接收開關(guān)電路（301）采用低噪聲模擬開關(guān)，用于斷開發(fā)射時的大信號對后續(xù)電路的影響；高精度測時單元（203）選用GP22時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)，測時分辨率可達90皮秒；溫度測量單元（205）選用GP21時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)，將溫度測量轉(zhuǎn)換為充放電時間測量，大大提高了溫度測量的精度；微處理器（202）采用低功耗微控制器STM32F103CBT6完成所有的系統(tǒng)控制、聲速測量算法的實現(xiàn)以及溫度參數(shù)修正；通信接口電路（201）兼容RS232和RS485電氣要求，采用MAX3485和MAX3232實現(xiàn)。

以上所述僅為實用新型的一種較佳可行施例，所述實施例并非用以限制本實用新型的專利保護范圍，因此凡是運用本實用新型的說明書及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。